Gốm từ tính, vật liệu oxit thể hiện một loại từ hóa vĩnh cửu nhất định gọi là ferrimagnetism. Gốm từ tính được chuẩn bị thương mại được sử dụng trong nhiều ứng dụng nam châm vĩnh cửu, máy biến áp, viễn thông và ghi thông tin. Bài viết này mô tả các thành phần và tính chất của vật liệu gốm từ tính chính và khảo sát các ứng dụng thương mại chính của chúng.
Ferrites: thành phần, cấu trúc và tính chất
Gốm từ tính được làm từ ferrites, là khoáng chất tinh thể bao gồm oxit sắt kết hợp với một số kim loại khác. Chúng được cho công thức hóa học chung M (Fe x O y), M đại diện cho các nguyên tố kim loại khác ngoài sắt. Ferrite quen thuộc nhất là Magnetite, một loại ferit sắt tự nhiên (Fe [Fe 2 O 4] hoặc Fe 3 O 4) thường được gọi là đá vôi. Các tính chất từ tính của từ tính đã được khai thác trong la bàn từ thời cổ đại.
Hành vi từ tính được thể hiện bởi các ferrites được gọi là ferrimagnetism; nó hoàn toàn khác với từ hóa (gọi là ferromagnetism) được thể hiện bằng vật liệu kim loại như sắt. Trong ferromagnetism chỉ có một loại vị trí mạng tinh thể và electron không ghép cặp có các vòng quay (các chuyển động của các electron gây ra từ trường) xếp theo một hướng trong một miền nhất định. Mặt khác, trong ferrimagnetism, có nhiều hơn một loại mạng tinh thể, và các spin điện tử liên kết với nhau để chống lại một đối thủ khác, một số người đang quay cuồng và một số người bị xoáy xuống một cách nhất định. Việc loại bỏ hoàn toàn các spin đối nghịch dẫn đến sự phân cực ròng, mặc dù hơi yếu hơn so với vật liệu sắt từ, có thể khá mạnh.
Ba lớp cơ bản của ferrites được chế tạo thành các sản phẩm gốm từ tính. Dựa trên cấu trúc tinh thể của chúng, chúng là các spinel, ferrites hình lục giác và garnet.
Rau bina
Spinel có công thức M (Fe 2 O 4), trong đó M thường là cation hóa trị hai như mangan (Mn 2+), niken (Ni 2+), coban (Co 2+), kẽm (Zn 2+), đồng (Cu 2+), hoặc magiê (Mg 2+). M cũng có thể đại diện cho cation lithium đơn (Li +) hoặc thậm chí là vị trí tuyển dụng, miễn là những sự vắng mặt của điện tích dương này được bù bằng các cation sắt hóa trị ba bổ sung (Fe 3+). Các anion oxy (O 2−) sử dụng cấu trúc tinh thể lập phương đóng gói chặt chẽ và các cation kim loại chiếm các kẽ trong sự sắp xếp hai mạng tinh thể khác thường. Trong mỗi tế bào đơn vị, chứa 32 anion oxy, 8 cation được phối hợp bởi 4 oxygens (vị trí tứ diện) và 16 cation được phối hợp bởi 6 oxygens (vị trí bát diện). Sự liên kết song song và triệt tiêu không hoàn toàn các spin từ giữa hai phân lớp dẫn đến mô men từ vĩnh viễn. Bởi vì spinel có cấu trúc hình khối, không có hướng từ hóa ưa thích, chúng là loại mềm mềm từ tính; tức là, tương đối dễ dàng để thay đổi hướng từ hóa thông qua ứng dụng của từ trường bên ngoài.
Ferrites lục giác
Cái gọi là ferrites lục giác có công thức M (Fe 12 O 19), trong đó M thường là bari (Ba), strontium (Sr) hoặc chì (Pb). Cấu trúc tinh thể phức tạp, nhưng nó có thể được mô tả như hình lục giác với trục c hoặc trục dọc duy nhất. Đây là trục từ hóa dễ dàng trong cấu trúc cơ bản. Do hướng từ hóa không thể dễ dàng thay đổi sang trục khác, nên các ferrites hình lục giác được gọi là cứng.
Garnet ferrites
Các ferrit Garnet có cấu trúc của garnet khoáng silicat và công thức hóa học M 3 (Fe 5 O 12), trong đó M là yttri hoặc ion đất hiếm. Ngoài các vị trí tứ diện và bát diện, chẳng hạn như các vị trí nhìn thấy trong spinel, các viên ngọc hồng lựu có các vị trí của dodecah thờ (12 phối hợp). Do đó, ferrimagnetism là một kết quả phức tạp của sự liên kết spin chống song song giữa ba loại trang web. Garnet cũng cứng từ tính.
Gia công ferrites gốm
Ferrites gốm được thực hiện bằng cách trộn, nung, ép, nung và hoàn thiện truyền thống. Kiểm soát thành phần cation và khí quyển là cần thiết. Ví dụ, từ hóa bão hòa của ferrites spinel có thể được tăng cường đáng kể bằng cách thay thế một phần Zn (Fe 2 O 4) cho Ni (Fe 2 O 4) hoặc Mn (Fe 2 O 4). Các cation kẽm thích phối hợp tứ diện và buộc Fe 3+ bổ sung vào các vị trí bát diện. Điều này dẫn đến ít hủy bỏ các spin và từ hóa bão hòa lớn hơn.
Chế biến tiên tiến cũng được sử dụng để sản xuất ferrite, bao gồm coprecipit, đông khô, rang phun và chế biến sol-gel. (Các phương pháp này được mô tả trong bài báo gốm sứ tiên tiến.) Ngoài ra, các tinh thể đơn được phát triển bằng cách kéo từ các dòng chảy từ thông (phương pháp Czochralski) hoặc bằng cách làm mát gradient tan chảy (phương pháp Bridgman). Ferrites cũng có thể được lắng đọng dưới dạng màng mỏng trên chất nền phù hợp bằng cách lắng đọng hơi hóa học (CVD), epit wax pha lỏng (LPE) và phún xạ. (Những phương pháp này được mô tả trong tinh thể: Tăng trưởng tinh thể: Tăng trưởng từ sự tan chảy.)
Các ứng dụng
Nam châm vĩnh cửu
Ferrit cứng từ tính được sử dụng như nam châm vĩnh cửu và trong các miếng đệm kín tủ lạnh. Chúng cũng được sử dụng trong micro và miếng đệm loa. Thị trường lớn nhất cho nam châm vĩnh cửu là trong các động cơ nhỏ cho các thiết bị không dây và trong các ứng dụng ô tô.
